8.2.- Flujo Mínimo Continuo

El Flujo Mínimo Continuo de una bomba centrífuga para garantizar el funcionamiento libre de ruido, vibraciones, y para lograr una larga vida del impulsor, es una función de la Velocidad Específica(NS), Velocidad Específica de Succión (NSS), el nivel de energía manejado por la bomba, el margen entre el NPSHR y el NPSHA, y de las características particulares del fluido bombeado, como pueden ser la viscosidad, temperatura de bombeo, Gravedad Específica, etc.

En bombas de alto NSS entre 10.000 y 12.000 el rango de funcionamiento continuo se ubica entre 70 y 120% el Punto de Mejor Eficiencia o BEP. En bombas con NSS inferiores a 10.000el límite inferior de funcionamiento en porcentaje puede ubicarse hasta en 25% del Punto de Mejor Eficiencia. Es decir, para lograr un funcionamiento estable en bombas de alto NSS es necesario trabajar lo más próximo posible al Punto de Mejor Eficiencia.

De hecho, la norma ASME B73.1. en la tabla N° 5Minimum Continuos Flow” indica cuales deben ser los porcentajes respecto al BEP de los flujos mínimos continuos para cada tamaño de bomba o designación dimensional. Por ejemplo, hasta el tamaño A70 que tiene dimensiones de 3x4x8 el mínimo flujo continuo está entre 10 y 20% del BEP. Para bombas de mayor tamaño por ejemplo por arriba de la A105 de 6x4x15 el mínimo flujo debe estar por el orden del 50% del BEP.

En las figuras N° 8-5 y 8-6 se muestran las correlaciones que existen entre la Velocidad Específica de Succión (NSS) y la recirculación a la succión como un porcentaje del caudal en el Punto de Mejor Eficiencia.

Figura N° 8-5.- Gráfica para la determinación del Flujo Mínimo en bombas centrífugas con NS entre 500 y 2.500.
Figura N° 8-5.- Gráfica para la determinación del Flujo Mínimo en bombas centrífugas con NS entre 500 y 2.500.
Fuente: www.lightmypump.com/pumpworld/flow%20recirculation.pdf

Las gráficas de estas figuras están hechas para tres diseños diferentes de bombas centrífugas (multietapas, doble succión y de succión simple) y se agrupan en dos gráficas una para bombas con Velocidad Específica entre 500 y 2.500 (en unidades inglesas) la figura 8-5 y la otra para Velocidades Específicas entre 2.500 y 10.000, la figura 8-6. 

Estas gráficas fueron desarrolladas por Warren Fraser un investigador de la compañía Worthington, y para lo cual se basó en pruebas de laboratorio.

Figura N° 8-6.- Gráfica para determinación del Flujo Mínimo en bombas centrífugas con Velocidad Específica NS entre 2.500 y 10.000.
Figura N° 8-6.- Gráfica para determinación del Flujo Mínimo en bombas centrífugas con Velocidad Específica NS entre 2.500 y 10.000.
Fuente: www.lightmypump.com/pumpworld/flow%20recirculation.pdf

El uso de las gráficas es muy sencillo ya que con los valores de NS y NSS calculados usandolas ecuaciones [4-1] y [4-2] de los capítulos 4.2.1.- y 4.2.2.-, con estos valores se entra a la curva de acuerdo con el diseño del impulsor y se determina cual es el Flujo Mínimo Continuo en la bomba para evitar alta recirculación, así como daños por erosión y vibración.

El valor de flujo obtenido de las curvas de lasfiguras N° 8-5 y 8-6en esta evaluación a su vez debe ser corregido si la bomba es de baja energía, debido a que el resultado es conservador para los niveles de energía de una bomba pequeña. Warren Fraser establece el límite para bombas de baja energía en un caudal de 2.500 gpm y un Cabezal de 150 pies.

Si la condición de baja energía se presenta cuando el fluido bombeado es agua, el flujo mínimo continuo es el 50% del valor obtenido con las curvas de lasfiguras N° 8-5 y 8-6 y el flujo mínimo intermitente se fija en el 25% del caudal calculado.

Si la bomba de baja energía maneja hidrocarburos (para todos los diseños) el flujo mínimo continuo se calcula tomando el 60% del valor resultante de las tablas de las figuras preparadas por Fraser; el flujo mínimo intermitente al igual que para el agua se puede dejar en 25% del flujo estimado en las tablas.

En la práctica no es solamente útil conocer cuál es el flujo mínimo de una bomba centrifugas o de un conjunto de bombas centrífugas instalada en e un sistema de bombeo, es necesario definir algunas acciones que garanticen que la bomba siempre pueda trabajar al menos con ese flujo mínimo para evitar fallas prematuras en componentes como sellos mecánicos, cojinetes e impulsores o evitar una falla catastrófica al alcázar el flujo mínimo térmico.

8.2.1.- Sistemas de Recirculación

En casos donde se necesita garantizar el flujo mínimo de del sistema de bombeo la acción más común es proveer para las bombas un sistema de recirculación. Estos sistemas proveen el mínimo flujo continuo necesario para la operación estable de la bomba.

El volumen de fluido a ser recirculado debe evaluarse cuidadosamente y debe estar de acuerdo con el diseño constructivo de las bombas y las características del sistema donde actúa, sin embargo, este flujo debe ser mayor al 15% del flujo total manejado por la bomba en el Punto de Mejor Eficiencia, garantizando de esta forma que se trabajará a caudales por arriba del flujo mínimo térmico.

Los sistemas de recirculación son comunes y prácticamente obligatorios en sistemas con bombas alta energía, sistemas con equipos con potencia por arriba de 500 KW (670 HP), o en sistemas que trabajan con líquidos a temperaturas superiores a la temperatura ambiente como es el caso de las bombas de alimentación de calderas, bombas de carga de crudo, a hornos, columnas de destilación, etc., bombas para corte de coque, bomba de circulación de sistemas de deshidratación, etc.

Como una recomendación general es conveniente que la conexión de la línea de succión sea instalada a por lo menos 10 diámetros agua debajo de la brida de succión de la bomba para evitar turbulencia en el área de succión.

En bombas centrífugas de alta Velocidad Especifica Ns (como es el caso de las bombas de flujo axial) se acostumbra a usar líneas de recirculación con la finalidad de aumentar el flujo manejado por la bomba y de esta forma reducir el consumo de energía de la bomba. Como es conocido este tipo de bomba consumen mayor potencia a bajos flujos.

En el diseño de los sistemas de recirculación se deben hacer consideraciones para evitar que el fluido que se está recirculando se sobrecaliente. En general una de las soluciones más difundidas entre los diseñadores de sistemas de bombeo es colocar una línea de recirculación de la descarga de la bomba a la succión (sobre todo en sistemas de bombeo de baja energía). En algunas situaciones como es el caso de los procesos de “commissioning”, durante fases de ajuste de procesos, en parada parcial del proceso debido a salida de la línea de un equipo se realiza recirculación durante periodos relativamente prolongados, ocasionando incremento de temperatura en el fluido por la recirculación entre la descarga y la succión.

Si la recirculación es intermitente no es necesario hacer arreglos para evitar calentamiento del fluido, ahora si la bomba debe trabajar de forma continua o por varios meses con la recirculación activada y a mínimo flujo es necesario hacer previsiones para evitar el recalentamiento del flujo, así como calcular cuidadosamente el flujo de recirculación para evitar efectos en los sellos mecánicos y rodamientos. Muchos usuarios recirculan al tanque o recipiente de succión con la finalidad de utilizar la masa de fluido almacenada para controlar el incremento e temperatura del fluido recirculado.

En la industria se utilizan tres tipos básicos de arreglos para realizar la recirculación de las bombas centrífugas, estos son las siguientes:

8.2.1.1.- Instalar una tuebería de recirculación con elemento de regulación de flujo 

Esta solución utiliza una tubería de recirculación o “bypass”, sumada a un elemento de regulación de flujo que es una placa orificio, la cual es calculada para suministrar el flujo mínimo seleccionado. La solución de la línea de recirculación es económica, por lo que es ampliamente utilizada en bombas de baja energía de con potencias hasta 56 KW (75 HP), fundamentalmente por ser una propuesta de gran simplicidad. Donde en la mayoría de los casos la válvula de control es manual, la cual es activada por el operador, cuando es necesario recircular.

8.2.1.2.- Tubería de recirculación, con válvula de recirculación automática

En este sistema de recirculación se utiliza una para garantizar el flujo mínimo del sistema de bombeo, se aplica fundamentalmente para equipos con potencias media y en bombas centrífugas para procesos donde es necesario interactuar con el sistema. En esta solución un equipo muy utilizado son las válvulas del tipo “Yarway”. La figura 8-7 muestra el diagrama de un arreglo de recirculación que utiliza una válvula “Yarway”.

Figura N° 8-7.- Esquema de un Sistema de recirculación con válvula “Yarway”.
Figura N° 8-7.- Esquema de un Sistema de recirculación con válvula “Yarway”.
Fuente: www.tycoflowcontrol-na.com/ld/YAWMC-0489-US.pdf

La válvula “Yarway” es una válvula multifunción ya que ella hace la función de una válvula de retención (Check), censor de flujo y de válvula de control. Las válvulas tipo “Yarway” operan ajustadas a la presión que corresponde al caudal que se quiere recircular, actúa por efecto de la presión sobre el resorte que la activa, sin necesidad de una fuente de energía externa. Se puede ajustar en el campo en el rango de presiones para el cual esta especificada. El ajuste de las presiones permite que la bomba trabaje en una banda de presiones alrededor del flujo mínimo para evitar la apertura y cierre continuo de la válvula. La falla de este tipo de válvula es segura.

Como puede observarse el sistema es simple y práctico. Esta válvula simplifica los arreglos de los sistemas de recirculación debido a que ya no son necesarias válvulas de control, cableado, censores y trasmisores para garantizar la recirculación, así como se observa un ahorro significativo en el consumo de energía y en los equipos necesarios para garantizar la operatividad del sistema.

8.2.1.3.- Tubería de recirculación, con válvula de recirculación automática y sistema de regulación de presión y flujo

Esta solución se aplica en sistemas de alta energía, donde la válvula de control puede ser del tipo Yarway” o una válvula de control propiamente dicha activada y ajustada de acuerdo con las necesidades del proceso. También es instalado un sistema de regulación de presión y flujo, que puede ser una placa orificio o un sistema de placas orificio en cascada para reducir la presión del fluido de forma progresiva en bombas de alto Cabezal.

En sistemas de bombeo multi-bomba (por ejemplo, en aplicaciones de bomba en paralelo) es conveniente la utilización de sistemas de circulación independiente para cada bomba. Esta solución da mayor flexibilidad operacional y evita el sobre-dimensionamiento de una sola válvula de control de flujo, que pudiese causar problemas para trabajar adecuadamente con una sola bomba o permitir la operación de puesta en marcha del sistema.

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